個(gè)人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及語音通訊系統(tǒng)研究
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系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由分機(jī)和主機(jī)構(gòu)成。分機(jī)能夠采集人體的生命信息，并經(jīng)無線通訊傳送給主機(jī)。主機(jī)接收生命信息數(shù)據(jù)，并將其顯現(xiàn)在LCD 顯示屏上。不管是分機(jī)還是主機(jī)，設(shè)備之間均能實(shí)現(xiàn)語音通訊。考慮到戰(zhàn)場通訊要求可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，并應(yīng)具有保密性的特點(diǎn)，我們選用無線擴(kuò)頻通訊技術(shù)。近些年來，微處理器和大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展使得無線擴(kuò)頻通訊成本迅速下降。分機(jī)的硬件連接框圖如圖1。主機(jī)結(jié)構(gòu)同分機(jī)相似，只需去掉生命信息采集部分，改為LCD 顯示即可。
TI公司的MSP430系列單片機(jī)，是一款優(yōu)秀的16 位RISC 結(jié)構(gòu)微處理器，其指令周期短，具有多種省電模式，集成的A/D 轉(zhuǎn)換器，以及性價(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)越來越受到廣大使用者的青睞。再加上它超低功耗特點(diǎn)，很適合作為本系統(tǒng)的核心微控制器。我們選用MSP430F149,它帶有60KB 閃存，12 位A/D 轉(zhuǎn)換器和硬件乘法器。另外，選擇TI 公司的TRF6900單片射頻收發(fā)器來完成雙向無線傳輸。該產(chǎn)品內(nèi)部集成了完整的發(fā)射電路和接收電路，供電電壓為2.2V-3.6V，并具有低功耗的待機(jī)模式。Stel-2000A 是數(shù)字?jǐn)U頻芯片，完成擴(kuò)頻解擴(kuò)功能。
語音編解碼芯片選用CMX639,這是一種CVSD(連接可變斜率增量調(diào)制)芯片，即可實(shí)現(xiàn)語音編碼，也有解碼功能，且連接使用方便。
單片機(jī)MSP430F149 定時(shí)采集心率、血壓和體溫等信息，并將數(shù)據(jù)編排成一定的幀格式，交給Stel-2000A 擴(kuò)頻后由射頻收發(fā)器TRF6900 發(fā)出。語音的輸入與輸出由按鍵控制。一般情況下，設(shè)備處于語音接收狀態(tài)，即單片機(jī)讀取來自TRF6900 并已解擴(kuò)的數(shù)據(jù)，送給語音解碼芯片CMX639。當(dāng)鍵被按下時(shí)，麥克風(fēng)處于受話狀態(tài)，CMX639 把麥克風(fēng)輸出的數(shù)據(jù)編碼，MSP430讀取該編碼數(shù)據(jù)，處理后送給無線擴(kuò)頻通訊部分。
生命信息的測量
傳統(tǒng)的人體血壓測量采用汞柱式血壓計(jì)，該方法顯然不適用于本系統(tǒng)。目前，松下和歐姆龍公司都已研制成功腕式血壓計(jì)。該產(chǎn)品體積小巧，使用方便，只須戴在手腕上，我們即可讀出自己的血壓。有的腕式血壓計(jì)同樣有測量心率的功能。因此，在系統(tǒng)方案中，將腕式血壓計(jì)改裝，作為向MSP430 單片機(jī)傳送血壓和心率數(shù)據(jù)的傳感器。應(yīng)該注意的是，心率是指心臟每分鐘的跳動(dòng)次數(shù)，如果我們?cè)跍y量心率時(shí)，是先測量一段時(shí)間內(nèi)的跳動(dòng)次數(shù)，再換算成一分鐘的數(shù)值，那么這個(gè)心率數(shù)值由于變化緩慢，不能及時(shí)反映人體心率的變化。因此，較好的方法是測量心率的周期，并由周期/頻率轉(zhuǎn)換程序得到結(jié)果。
體溫測量可以使用晶體震蕩法或熱敏電阻法。MSP430F149 單片機(jī)自身帶有A/D 轉(zhuǎn)換器，為了使外圍線路簡化，選用熱敏電阻法。電阻電橋輸出的電壓放大后直接送入MSP430F149 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。為了盡可能提高體溫測量的準(zhǔn)確性，測量范圍應(yīng)設(shè)定在30 度到45 度為宜。熱敏電阻應(yīng)和人體緊密接觸，所以包括前面測量血壓的袖套及測脈搏的壓電傳感器均可固定在緊身內(nèi)衣上，以方便使用。
語音輸入/輸出的實(shí)現(xiàn)
語音通訊功能是本系統(tǒng)的重要組成部分。CVSD 芯片CMX639 是實(shí)現(xiàn)語音輸入/輸出的關(guān)鍵器件，其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。它和單片機(jī)的連接關(guān)系如圖2 所示。系統(tǒng)內(nèi)有CVSD 程序，其作用是在一般情況下將射頻接收區(qū)的數(shù)據(jù)全部勻速的送給CMX639 解碼輸入(DECODER INPUT)引腳。CMX639 執(zhí)行一定的解碼算法后送給揚(yáng)聲器。當(dāng)鍵被按下，麥克風(fēng)輸出的信號(hào)由編碼輸入(ENCODER INPUT)引腳進(jìn)入CMX639 芯片，由其編碼后，數(shù)據(jù)被MSP430 讀入。單片機(jī)中有相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)作為射頻數(shù)據(jù)區(qū)。通訊部分進(jìn)出該數(shù)據(jù)區(qū)與CVSD 進(jìn)出該數(shù)據(jù)區(qū)在速率上應(yīng)保持一致。
擴(kuò)頻通訊設(shè)計(jì)
擴(kuò)頻通訊是由數(shù)字?jǐn)U頻模塊與射頻收發(fā)器TRF6900 在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)的。Stel-2000A須外接晶振。圖3 給出了單片機(jī)、SS TRANCEIVER 和TRF900 的連接。圖中SS TRANCEIVER主要是Stel-2000A 和兩路A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D 轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)正交分路后的I 和Q 支路的模數(shù)變換。系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)首先對(duì)TRF6900 和Stel-2000A 進(jìn)行編程配置。TRF6900 的CLOCK、DATA、STROBE 引腳是編程用單向串行總線。直接數(shù)字合成器(DDS)中有24 位移位寄存器，MSP430給TRF6900 配置時(shí)向其CLOCK 引腳輸入串行控制脈沖，同時(shí)把控制數(shù)據(jù)置于DATA 上寫入DDS的24 位移位寄存器當(dāng)中。若STROBE 為高電平，則單片機(jī)對(duì)射頻收發(fā)器進(jìn)行DDS 模式、調(diào)制器以及PLL 等的設(shè)置。設(shè)置完成后通訊部分開始工作，各芯片都在單片機(jī)的控制作用下互相配合，完成通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。
軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)啟動(dòng)后先初始化，在各模塊的配置完成后，MSP430 開始讀取生命信息的輸入并處理，在一定的控制信號(hào)下送給Stel-2000A，擴(kuò)頻后由TRF6900 發(fā)送出去。心率、血壓和體溫的采集和發(fā)送每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次，間隔時(shí)間可以設(shè)為20 秒，具體可由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器觸發(fā)的中斷程序中進(jìn)行。一般情況鍵未按下，表示設(shè)備處于接收狀態(tài)，則單片機(jī)控制TRF6900和Stel-2000A 接收數(shù)據(jù)。分機(jī)接收到的數(shù)據(jù)一定為語音信號(hào)，由單片機(jī)送給CMX639 解碼。主機(jī)應(yīng)根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的有關(guān)標(biāo)志，判定是生命信息還是語音信號(hào)。前者由LCD 顯示出來，后者經(jīng)CMX639 解碼送入揚(yáng)聲器。當(dāng)鍵被按下時(shí)，設(shè)備進(jìn)行語音的輸入和發(fā)送，此時(shí)暫停對(duì)生命信息的采集，具體過程如前所述。圖4 和圖5 是分機(jī)和主機(jī)的系統(tǒng)流程框圖。
本文小結(jié)
本文介紹了個(gè)人狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及語音通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。必要情況下，分機(jī)最好能夠向主機(jī)報(bào)告自身位置信息，具體可使用GSP 定位。另一方面，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是目前發(fā)展的一大趨勢，若將其引入將能大大提高無線網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性。
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